공업재료 (컴퓨터그래픽스운용기능사 필기)

목재

목재의 특성

- 천연의 유기체 고분자 화합물인 단백질, 녹말, 글리코겐 등으로 이루어진 재료이다.

- 사용이 용이하며 가장 오랫동안 사용해 온 재료이다.

- 가공이 쉬워 건축, 토목 등의 핵심 재료로 사용되고 있다.

 

장점	- 가벼우며 감촉이 좋고 열전도율이 낮아 부도체이다. - 가공이 쉽고 외관이 아름답다. - 가격이 저렴하고 구입하기 용이하다. - 비중에 비해 강도가 크다.
단점	- 흡수성이 크기 때문에 부식이 쉽고 수축과 변형이 많다. - 내구성과 착화점이 낮아 화재의 우려가 있어 내화재로는 부적절하다. - 방향성 때문에 재질이 균일하지 못하다.

 

목재의 분류

침엽수	소나무, 은행나무, 전나무, 삼나무, 잣나무, 가문비나무, 낙엽송 등
활엽수	자작나무, 대추나무, 느티나무, 단풍, 동백나무, 떡갈나무, 참나무, 오동나무, 밤나무, 너도밤나무 등

 

침엽수

- 송백과 식물이다.

- 가공이 쉬우며 연재가 많다.

- 대장재를 얻기 용이하다.

- 건조가 빨라 토목재로 많이 사용한다.

- 수액의 점도가 높은 편이어서 토목재로 사용할 때 부패방지 역할을 한다.

- 줄기가 곧고 긴 편이다.

- 취재율이 70%에 가깝다.

 

활엽수

- 송백과 이외의 식물이다.

- 재질이 경질이다.

- 건조에 많은 시간이 걸리며 건조 시 변형이 많이 된다.

- 대장재를 얻기 힘들다.

- 취재율이 50% 이하이다.

 

 

목재의 성장과 조직

세포	여러 가지 다른 모양의 세포로 구성되어 서로 결합하여 나무의 강도를 지배한다.
나이테	- 추재와 추재로 구성되어 나무의 무늬 결을 결정짓는 나무의 조직으로서 하나의 춘재부에서 추재부를 거쳐 다음 춘재부까지 이르는 하나의 띠를 말한다. - 춘재(봄, 여름) : 세포층이 넓고 유연하다 - 추재(가을, 겨울) : 세포층이 좁고 견고하다.
변재와 심재	- 수종에 따라 변재와 심재가 구별되는 것을 심재수, 구별되지 않는 것을 변재수라고 한다. - 변재 : 나무의 껍질 쪽의 부분으로 옅은 색을 띄며 수액이 많아 건조 시 변형이 심하고, 심재에 비해 내구성이 떨어진다. - 심재 : 견고하고 짙은 가운데 부분으로 무겁고 내구성이 강하여 변재보다 질이 좋다. 심재부에는 녹말, 당분, 색조 등 화학물질의 함량이 많으므로 빛깔이 짙고 강도, 내구력, 비중 등 물리적 성질이 변재보다 양호하다.
수심	목재의 중앙 부분에 위치하며 갈라지기 쉬운 조직
수피	목재의 껍질을 말하며 방음, 방습, 방온 등에 사용되는 코르크의 원료로 사용된다.
목재의 색	- 목재 변색의 주원인 : 자외선 - 광택 : 무늬결보다 곧은결이 광택이 좋다.

 

목재의 물리적 성질

인장강도	목재를 잡아당기는 외력에 대한 내부의 저항력을 말한다. 평행하게 놓여져 있을 때 목재의 강도가 가장 크다.
휨강도	- 압축 또는 인장 및 전단 등의 외력이 여러 가지 복합적으로 작용하므로 하중을 가하면 부러진다. - 물체가 휠 때 물체 단면에 일어나는 수직 응력을 말한다.
전단강도	한 물체의 일부를 남은 부분 뒤에 올려놓았을 때 단면에 평행하게 작용하는 저항력
경도	마멸에 대해 내부저항을 말하는 것으로, 비중이 큰 목재일수록 경도도 높다.
압축강도	목재에 압력을 가할 때 발생하는 내부의 저항을 말한다. 다시 되돌아 올 수 있기 전까지의 변형에 대한 목재의 저항을 의미한다.

 

목재의 일반적 성질

강성	- 외력을 받아서 변형이 되는 성질 - 일반적으로 재료의 강성은 단위 변화량에 대한 외력의 값으로 나타내고, 단위 신장을 주는 외력을 신장강성이라고 한다.
탄성	외력을 받아 변형된 재료에서 외력을 제거했을 때 원형으로 복귀하려는 성질이다.
소성	외력을 받아 변형된 재료에서 외력을 제거했을 때 원형으로 복귀하지 않고 그대로인 성질
취성	작은 변형에도 파괴를 일으키는 성질(유리 등)
인성	파괴될 때까지 압력에 견딜 수 있는 성질(고무 등)
연성	하중을 받으면 파괴될 때까지 크게 늘어나는 성질
전성	망치 등으로 쳐서 얇은 판으로 펼 수 있는 성질
내구성	재료가 오래 견딜 수 있는 성질(철의 녹, 목재의 부패, 기계의 마모 등에 의해 재료의 수명이 짧아진다.)
재료의 파괴 원인	탄성, 균열, 자연마모 및 부식

 

목재의 역학적 성질

① 목재의 무게와 비중

- 목재와 밀도와 무게는 목재 속의 수분의 함유량에 따라 달라진다.

 

②함수율

- 목재가 수분을 함유하고 있는 비율을 뜻한다. 함수율이 적을수록 목재가 수축되고 무게도 감소하게 된다.

 

③ 내구성

- 목재가 변질되기까지 환경에 견디는 저항력을 내구성이라 한다.

풍우	주로 표면부분에서 많이 일어나지만, 기간이 지남에 따라 추재 부분도 파손되어 내부로 진행되어 간다.
부패	부패균의 번식은 온도, 수분, 공기 등의 조건이 모두 맞을 때 일어난다.
충해	흰개미 벌레(연질 부분), 엽먹기 벌래(변재 부분)가 특히 심하게 생긴다.

 

④ 수축과 팽창

- 목재를 건조시키면 수축이 일어나서 목재의 표면에서 내부까지 균열이 일어난다.

- 일반적으로 목재를 빨리 건조시키면 목재의 안과 밖의 수분 차이로 인하여 균열이 생긴다.

 

⑤ 열과 전기에 대한 성질

- 목재는 수분이 증가하면 열전도율도 증가한다.

- 주로 경질재일수록 열전도율이 크다.

 

⑥ 목재의 구성 화합물

셀룰로오스	세포막 성분으로 섬유를 구성하는 섬유소(40% ~ 50% 가량을 차지한다.)
헤미셀룰로오스	탄수화물 중 셀룰로오스를 제외한 성분(20% ~ 30% 가량을 차지한다.)
리그닌	식물의 섬유와 물관 사이에 축적되는 물질로 서로 달라붙게 하여 세포를 단단하게 하는 성분이다.(20% ~ 30% 가량을 차지한다.)

 

⑦ 좋은 목재 선택법

- 속부분을 포함하지 않는 심재일수록 좋다.

- 가벼우면 부패 가능성이 있으므로 건조가 잘 된 것이 좋다.

- 목재의 색이 균일하고 광택이 있는 것이 좋다.

- 나이테가 원형에 가까우면서 재질이 균일한 것이 좋다.

- 나무 고유의 향이 있는 것이 좋다.

- 옹이, 균열 등이 없는 것이 좋다.

- 두드려 보았을 때 맑은 음이 나는 것이 좋다.

 

⑧ 가공된 목재의 종류 및 특성

합판

- 판재에 비해 균질이다.

- 좋은 재료를 얻을 수 있다.

- 팽창이나 수축도 막을 수 있다.

- 값도 싸고 무늬가 좋은 판을 얻을 수 있다.

- 넓이가 넓고 곡면판을 쉽게 얻을 수 있다.

- 넓이가 넓고 곡면판을 쉽게 얻을 수 있다.

- 잘 갈라지지 않고 방향에 따라서 강도의 차이가 작다.

- 원목을 얇게 오려내고 이것을 섬유 방향이 직교하도록 겹쳐 붙인 것으로, 포개는 박판의 장수가 3, 5, 7장 등으로 표판과 이판의 섬유 방향이 같아지게 홀수를 사용한다.

- 광폭재를 다량으로 얻을 수 있다.

 

파티클 보드

- 목재를 얇고 잘게 조각을 낸 후 결합체를 가하여 성형 열압한 판상 제품을 말한다.

- 모서리가 약하다.

- 경도가 높다.

- 내마멸성이 있다.

- 각 방향의 강도차가 없다.

- 못 쓰는 나무 조각으로 만든다.

- 목재의 부스러기에 접착제를 뿜어 압축 가열한 것으로, 가치 없는 재료를 이용하여 제작되는 광폭재이다.

 

집성 목재

- 10~30mm의 이음판을 잘 건조시킨 다음 길이 방향의 결점을 제거하여 끝을 스카프 조인트로 면을 매끄럽게 하여 합성수지 접착제로 접착하는 것을 집성목재라고 하며 강도가 크며 겉모양이 아름답다.

 

- 얇게 켠 넓은 널을 여러 장 포개서 접착한 것이다.

- 목재의 결점이 분산된다.

- 공작물의 뼈대(기둥이나 보)로 사용한다.

 

집성 목재의 장점

- 제재 목공 후의 잔재를 집성가공하여 재활용할 수 있다.

- 뒤틀림, 갈라짐 등의 목재의 결점을 분산시켜 결점이 작은 목재 생산이 가능하다.

- 외관이 아름다운 목재 생산이 가능하다.

- 모양이나 크기 등의 용도에 따른 대량생산이 가능하다.

 

플로어링

- 한쪽에 홈을 파고 다른 쪽에 촉을 끼워 맞춘 것을 플로어링이라고 하며 재질이 단단하고 무늬가 아름다워 마루바닥이나 벽장식과 음향 효과를 얻을 때 쓰인다.

 

적충재

- 다수의 단판을 일정한 섬유 방향으로 접근한 것으로 균질의 대장재를 얻을 수 있다.

- 작은 재료를 모아서 길고 큰 목재를 자유롭게 만들 수 있다.

- 목재가 지닌 흠을 제거하여 질이 고른 목재를 얻을 수 있다.

 

경화적층재

- 합성수지에 담근 단판을 고압으로 접착시킨 것으로 균질성과 내습성 등이 증가하고 강도가 높다.

 

섬유판(MDF)

- 섬유화한 목재를 가열 압축한 것으로, 균질성이 있고 강도와 방향성이 개선된 것이다.

 

코르크

- 나무 겉껍질을 잘게 부숴 접착제로 압착한 것으로 가볍고 보온성이 좋다.

 

⑨ 목재의 상처

갈라짐	- 심재, 또는 변재가 중심부에서 방사형으로 균열이 생기는 것이다. - 함수량의 수축과 건조의 불균형 시 원형 균열이 생긴다.
옹이	- 섬유의 이상 발달에 의해 생긴다. - 나이테가 밀집하고 송진이 많아서 단단하다. - 대패질이 곤란하다. - 나무의 질을 저하시킨다.
혹	균류의 작용으로 섬유의 일부가 부자연스럽게 발달하여 생긴다.
썩정이	속이 비거나 부분적으로 썩어서 얼룩이 생기는 것을 말한다.
껍질박이	나무의 상처 등으로 껍질이 나무 내부로 몰입된 것을 말한다.

플라스틱

플라스틱의 일반적인 특성과 분류

플라스틱의 일반적인 성질

- 유기 재료 중에 낮은 밀도와 전기 및 열에 대한 절연체로서 빛을 잘 반사하지 않고, 투명하거나 반투명한 재료이다.

- 섬유화학 산업의 발달로 인해 생겨났다.

- 주원료는 석탄, 석유이며 가공하지 않고 완성된 성형품을 만들 수 있다.

- 일반적으로는 열경화성 수지와 열가소성 수지로 나뉜다.

장점	- 타 재료에 비해 가벼우며, 자유로운 형태로 가공하기 용이하다. - 내수성이 좋아 재료의 부식 염려가 없다. - 전기절연성이 우수하고 열전도율이 적어 보온효과가 있다. - 착색이 용이하고 다양한 재질감을 낼 수 있다. - 타 재료와의 친화력이 좋다.
단점	- 자외선에 취약하다. - 내열온도가 낮고 연소하기 쉽다. - 석유 산업의 발달로 만들어진 플라스틱은 환경오염의 주범이기도 하다. - 내후성이 좋지 않다.

 

플라스틱의 분류

① 열경화성 플라스틱

- 가열 시 경화하여 유동성을 나타내 수분 등이 빠진 중간 화합물이 폴리 축합을 일으켜 분자와 분자 사이의 연관반응으로 생겨난 3차원적인 구조의 고분자 화합물이다.

- 일반적으로 내열성, 내용제성, 내약품성, 전기절연성이 좋고, 충전제를 넣어 단단한 성형물을 만들 수 있다.

- 고강도 섬유와 조합하여 섬유강화 플라스틱을 제조하는 데에도 사용된다.

- 종류 : 페놀수지(PF), 멜라민 수지(MF), 에폭시 수지(EP), 우레아 수지(UF), 우레탄 수지(PUR), 폴리에스테르

 

② 열가소성 플라스틱

- 재료가 이미 큰 고분자 물질로 되어 있어 가열 시 연화되고 유동성을 갖게 되지만, 다시 냉각하면 원래 상태로 되돌아간다. 열가소성 플라스틱은 이러한 과정을 반복할 수 있는 특성을 지닌다.

- 압출 성형, 사출 성형에 의해 쉽게 가공할 수 있다는 장점이 있는 반면, 내열성 및 내용제성은 열경화성 수지에 비해 약하다.

결정성	폴리에틸렌, 나일론, 폴리아세탈 수지 등의 유백색 수지
비결정성	염화비닐 수지, 폴리스티렌, ABS 수지, 아크릴 수지 등의 투명한 수지

 

열경화성 플라스틱과 열가소성 플라스틱의 비교

구분	열가소성 플라스틱	열경화성 플라스틱
열변형 온도	열변형 온도가 낮아 150ºC 내외로 변형	열에 안전하므로 150ºC 이상에서도 잘 견딘다.
성형 능률	사출 성형 등의 연속적 가공방법이 가능하므로 능률적이다.	압축, 적축, 성형 등의 가공법을 거쳐야 하므로 비효율적이다.
재사용	화학적인 변화를 일으키지 않아 성형 후 재사용이 가능하다.	3차원적 구조가 되어 성형 후에는 재사용이 불가능하다.
투명도	거의 모든 재료에서 투명한 제품	대부분이 반투명 또는 불투명한 제품이다.

 

플라스틱의 성형 기술

사출 성형

- 가열 실린더 안에서 플라스틱 입자가 가열 응용 유동화되면서, 사출 피스톤에 의해 노즐에서 닫힌 금형 안에 압입, 냉각된 뒤 열린 금형에서 자동적으로 성형품이 나오는 과정을 거친다.

 

사출성형의 특징

- 정확한 치수와 안정적인 품질의 성형품을 가질 수 있다.

- 자동생산에 따라 고속의 대량생산이 가능하다.

- 다양한 형태의 성형이 가능하며, 착색과 가공이 용이하다.

 

압출 성형

- 압출 성형기를 이용해 분말의 열가소성 플라스틱을 실린더에 넣어 연속 회전 스크류에 의해 응용시 이를 물이나 공기로 냉각 고화시켜 성형품을 얻는 방법이다.

- 다이스의 단면형상과 같은 기다란 제품(봉, 관, 선)을 얻는 가공 방법이다.

- 열가소성 수지 중 특히 폴리에틸렌이나 염화비닐 수지 등의 주요한 성형법이다.

- 플라스틱 튜브, 파이프, 필름, 이형품, 전선피복, 플라스틱 네트 등에 널리 쓰인다.

 

블로우 성형

- 열을 가해 재료를 연화한 후 형틀에 넣고, 공기를 넣어 형틀에 밀착시켜 경화하는 성형 방법이다.

- 다이렉트 블로우, 다층 블로우, 2단 블로우, 연신 블로우 등이 있다.

 

압축 성형

- 열경화성 수지의 가장 일반적인 성형법으로써, 형틀 속에 재료를 넣고 열과 압력을 가하여 성형하는 방법이다.

 

기타 주요 성형법

주입 성형

- 소량을 만들 때나 실험에 사용할 때 주입만으로 성형이 가능하며, 높은 온도나 압력을 가할 수 없는 금속 등을 성형하는 데에 쓰인다.

 

고압 박판 성형

- 높은 열과 압력으로 성형품을 구성하고 있는 보강재를 정교히 결합하는데 쓰이는 성형법이다.

 

이송 성형

- 열경화성 재료가 열과 압력을 받은 다음 경화할 때 폐쇄된 금형에 넣는 공정이다.

- 트랜스퍼 성형이라고도 하며, 제품의 각부가 균질하게 되고 두께가 두꺼운 제품은 강도가 증가한다.

- 치수가 정밀한 제품을 얻을 수 있고, 특히 얇고 긴 제품의 성형이 가능하여 가늘고 긴 관을 성형할 수 있다.

 

 

열가소성 / 열경화성 수지의 종류 및 특성

① 열가소성 수지

폴리에틸렌	- 에틸렌의 중합으로 생기는 사슬 모양의 고분자 물질 - 가열 시 쉽게 용해됨 - 폴리에틸렌 폼은 샌들이나 운동화의 밑창, 여자 수용복의 캡 등에 쓰인다. 고압 폴리에틸렌 - 인장강도는 약간 작지만 내충격성이 크다. - 가공이 쉽고 사용하기 간편하다. - 각종 병을 비롯한 제빙용 상자 등을 만들 때 사용한다. 저압 폴리에틸렌 - 연화점, 굳기, 강도가 모두 크지만 내충격성이 작고 촉감이 딱딱하다.
염화비닐 수지 (폴리염화비닐)	- 염화비닐의 단독중합체 및 염화비닐을 50% 이상 함유한 혼성중합체 - 포장용, 농업용 등의 시트나 필름 등에 쓰인다. - 투명성, 강도가 우수하다. - 탄력이 있고 약품에 대한 저항력도 크지만 흡수성이 없고 열에 약하다.
폴리스티렌	- 수요의 대부분이 사출성형 분야이다. - 가공이 쉽고, 값이 저렴해서 공업 전반에 폭넓게 사용한다. - 석유화학계 열가소성 수지의 일종이다. - 투명하고 빛깔이 아름다운 것이 특징이다. - 단단한 성형품을 얻을 수 있으며, 전기절연 재료로도 뛰어나다.
폴리아미드	- 신아미드 결합을 가진 고분자 화합물로 만들어진 나일론이다. - 내마모성이 우수하다. - 흡수성이 높다.
ABS 수지	- 스티렌, 아크릴로니트릴, 부타디엔의 세 성분으로 이루어진 스티렌 수지이다. - 가동이 쉽고 내충격성이 크며 내열성이 좋다. - 자동차 부품, 헬멧, 전자기기 부품 등 공업용품에 금속 대용으로 쓰인다.
아크릴 수지	- 아크릴산이나 메타크릴산 등의 에스테르로부터의 중합체이다. - 투명도가 뛰어나 항공기의 특수 창유리, 조명기구 커버, 차량의 유리, 시계 유리 등에 쓰인다. - 의료관계에서는 콘택트렌즈나 위치의 대부분이 아크릴 수지로 만들어진다. - 색이 있는 아크릴 수지는 문짝 등의 장식용에 적합하지만 긁힌 자국이 눈에 잘 띄기 때문에 사용시 주의해야 한다.

 

② 열경화성 수지

- 열에 안정적이다.

- 거의 전부가 반투명하거나 불투명하다.

- 압축, 적층, 성형 등의 가공법을 사용하여야 하므로 비효율적이다.

- 성형 시 화학적 변화를 일으키기 때문에 재사용이 어렵다.

페놀수지	- 플라스틱 제품 중 가장 오랜 역사를 가졌다. - 절연성이 커서 전기재료로 많이 사용된다. - 일반적으로 베이들라이트라고도 한다. - 페놀류와 포름알데히드류의 축합에 의해서 생기는 열경화성 수지이다.
요소수지	- 탄산가스와 암모니아에서 얻은 요소와 포르말린을 합한 수지이다. - 무색투명하며, 식기나 장식품 등에 쓰인다. - 가열 시 포르말린이 나타난다. - 착색이 간단하나 물에 약하다. - 수용성인 초기 축합물에 염류를 가할 시 상온에서도 경화한다.
멜라민 수지	- 무색투명하며 광택이 난다. - 견고하고 전기절연성이 좋아 가구재로 자주 쓰인다. - 멜라민과 포름알데히드로 만드는 열경화성 수지이다. - 무색투명하여 아름다운 착색을 할 수 있고 열, 산, 용제에 대하여 강하다. - 식기, 잡화, 전기 기기 등의 성형재료로 쓰인다. - 내열성이 있어서 식탁, 벽판 등으로도 사용된다. - 내수성이 우수하며 또한 접착성이 강력하여 내수성이 있는 목재의 구조용 접착제 역할을 하기도 한다.
에폭시 수지	- 사용이 가장 쉬운 재료 - 성형 수축이 적다. - 내열성이 우수하며 열변형 온도는 100ºC ~ 300ºC까지 가질 수 있다. - 분자 내에 에폭시기 2개 이상을 갖는 수지상 물질 또는 에폭시기의 중합에 의해서 생긴 열경화성 수지이다. - 굽힘 강도, 굳기 등의 기계적 열경화성 성질이 우수하다. - 경화 시 휘발성 물질의 발생이나 부피의 수축이 없고 재료 면에 큰 접착력을 가진다. - 가연성, 내약품성이 크고 안료를 섞어 착색이 자유롭다. - 접착제(금속과 금속의 접합), 도료, 라이닝 재료, 주형품 재료 등에 쓰인다.
푸란 수지	- 외관상 액체이지만 열에 의해 경화되어 항상 검은색이며 내수성 접착제 사용 - 퍼퓨랄 수지, 퍼류릴 알코올 수지 등 푸란 고리를 함유한 열경화성 수지
폴리우레탄	- 열전도율이 낮다. - 알코올에는 약하지만 기름에는 강한 특성을 지닌다.
섬유강화 플라스틱	두 종류 이상의 재료를 복합하여 사용하는 복합재료의 대표적인 것으로 기계적 강도가 매우 뛰어나 욕조, 선박, 정화조 등에 사용하는 재료